Nitrificatie en denitrificatie.

Nitrificatie in detail

Ammonium (NH₄⁺) komt in de bodem vrij door mineralisatie van organisch materiaal of via mestaanvoer. Onder zuurstofrijke omstandigheden zetten nitrificerende bacteriën dat ammonium in twee stappen om naar nitraat. Nitrosomonas en aanverwante bacteriën doen de eerste stap (NH₄⁺ → NO₂⁻); Nitrobacter en Nitrospira de tweede (NO₂⁻ → NO₃⁻). Sinds 2015 is bekend dat sommige Nitrospira beide stappen alleen kunnen ("comammox"); ook ammonium-oxiderende archaea doen mee. Beide groepen halen energie uit deze oxidaties — zonder licht, zonder organisch substraat.

Nitraat is goed oplosbaar in water. Daardoor is het mobiel: planten nemen het via wortels op, maar het kan ook met regen wegspoelen naar diepere bodemlagen, grondwater en oppervlaktewater. Daar ligt een directe link met eutrofiering en met de Nederlandse zorgen rond grond- en drinkwaterkwaliteit.

Denitrificatie in detail

In zuurstofarme milieus — natte bodems, slib op de bodem van meren en zee, dieper grondwater — schakelen sommige bacteriën nitraat in als alternatieve elektronenacceptor in plaats van zuurstof. Dat heet denitrificatie. NO₃⁻ wordt stap voor stap gereduceerd, via NO₂⁻, NO en N₂O, tot uiteindelijk N₂. Dat gas ontsnapt naar de atmosfeer.

De reductiestappen zijn niet altijd compleet. Wanneer het proces vroegtijdig stopt, ontsnapt lachgas (N₂O). Lachgas is een sterk broeikasgas, en de afkomst ervan is voor een groot deel landbouwgrond — vooral bij hoge mestgiften en natte omstandigheden.

Reactievergelijkingen en deelreacties

Nitrificatie verloopt in twee deelreacties, elk door een andere groep bacteriën:

Chemisch is nitrificatie een redoxreactie. Stikstof wordt geoxideerd: het oxidatiegetal stijgt van −3 (ammonium) via +3 (nitriet) naar +5 (nitraat). Zuurstof is de oxidator en wordt daarbij gereduceerd tot water. Bij nitrificatie wordt zuurstof dus wel degelijk gereduceerd — stikstof niet.

Waarom komt er energie vrij? De reactie van ammonium met zuurstof is exotherm: de producten bevatten minder chemische energie dan de beginstoffen. Nitrificerende bacteriën zijn chemoautotroof: ze gebruiken die vrijkomende energie (chemosynthese) om zelf CO₂ vast te leggen in organische stof, zonder licht. Omdat er per ammoniumion twee H⁺-ionen ontstaan, werkt nitrificatie bovendien verzurend — een reden waarom ammoniak uit mest in Nederland bijdraagt aan bodemverzuring.

Denitrificerende bacteriën (bijvoorbeeld Pseudomonas- en Paracoccus-soorten) gebruiken organische stof als brandstof en nitraat in plaats van zuurstof. Vereenvoudigd, met CH₂O als symbool voor organische stof:

Hier is nitraat de oxidator: stikstof wordt gereduceerd van +5 naar 0 (N₂). Een overzicht van alle reacties in de kringlopen staat op reactievergelijkingen.

Ook van nitraat naar ammonium? DNRA en anammox

Ja, dat kan. Naast denitrificatie bestaat DNRA (dissimilatieve nitraatreductie tot ammonium): sommige bacteriën zetten in zeer zuurstofarme, koolstofrijke milieus nitraat om in ammonium in plaats van in N₂. De stikstof blijft dan in het ecosysteem. Planten en micro-organismen reduceren nitraat ook zelf tot ammonium om er aminozuren van te maken (assimilatie).

Een derde route is anammox (anaerobe ammoniumoxidatie): NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O. Dit proces werd in de jaren negentig in Delft ontdekt en wordt inmiddels in waterzuiveringen gebruikt. In de oceaan is anammox verantwoordelijk voor een groot deel van het stikstofverlies.

Waar het gebeurt

In een typische, goed doorluchte tuin- of landbouwbodem domineert nitrificatie. In een drassige veenbodem of in slib van een sloot domineert denitrificatie. Op kleine schaal kunnen beide processen gelijktijdig optreden: in een aerobe bodemkruimel komt nitrificatie voor, in het anaerobe binnenste tegelijkertijd denitrificatie. Daarom kan een bodem zowel nitraat opbouwen als afgeven.

In rioolwaterzuiveringen worden beide processen bewust ingezet. Eerst wordt het afvalwater belucht zodat ammonium genitrificeerd wordt; daarna gaat het door een zuurstofloze (anoxische) stap waarin denitrificatie de stikstof als N₂ de lucht in stuurt. Dat is de standaardtechniek om stikstof uit afvalwater te verwijderen. Bij biologische mestverwerking ("biologie") wordt de dunne fractie van drijfmest op dezelfde manier behandeld: eerst beluchten voor nitrificatie, dan zonder zuurstof denitrificeren, zodat de stikstof als N₂ ontwijkt.

Plek in de stikstofkringloop

De volgorde is belangrijk: stikstofbinding brengt N₂ uit de lucht naar de bodem (als NH₃/NH₄⁺). Mineralisatie van dood materiaal levert opnieuw NH₄⁺. Nitrificatie maakt er NO₃⁻ van — bruikbaar voor planten. Denitrificatie sluit de kringloop door N₂ terug naar de atmosfeer te brengen.

Zonder denitrificatie zou de bodem voortdurend nitraat opbouwen tot toxische niveaus, en zou er steeds minder N₂ in de atmosfeer zitten. Het is dus geen "verlies" maar een noodzakelijke sluitstap.

Menselijke invloed

De grootschalige toevoer van reactieve stikstof — kunstmest, dierlijke mest, NO_x uit verkeer — verschuift de balans. Bodems en sloten verwerken meer nitraat dan ooit, en niet alle denitrificatie verloopt schoon: lachgas-emissies stijgen mee. In de Nederlandse stikstofproblematiek spelen NH₃ en NO_x de hoofdrol; daaromheen is het gedrag van nitrificerende en denitrificerende bacteriën in de bodem onderwerp van onderzoek bij onder andere Wageningen University & Research en NIOO-KNAW.

Verbinding met andere kringlopen

Nitrificatie en denitrificatie staan niet los. Ze zijn aerobe of anaerobe processen, dus afhankelijk van de zuurstofkringloop in de bodem. Ze interageren met de koolstofkringloop via organisch materiaal, en met de waterkringloop via uitspoeling. Een natte zomer of een droogte verschuift de balans tussen nitrificatie en denitrificatie meetbaar.